FPGA在廣播視頻處理中的應用

1.時機

在世界范圍內(nèi)，廣播視頻系統(tǒng)的需求都在逐年顯著增加，原因是以下的一些因素同時發(fā)生了作用：

• 可供觀眾選擇的廣播頻道的增加。世界范圍內(nèi)，更多觀眾的選擇從很少的幾個頻道發(fā)展到幾百個頻道。

• 有線電視和衛(wèi)星電視傳送網(wǎng)的發(fā)展。而互聯(lián)網(wǎng)廣播的發(fā)展更使我們進入了“百萬頻道”的時代。

• 用于信息交流，培訓和安全保衛(wèi)的公司內(nèi)部和小范圍的小型廣播視頻應用的發(fā)展。在娛樂業(yè)界也有了長足的發(fā)展，例如飯店視頻點播、超大屏幕電子顯示屏等。

• 延時視頻播放、準視頻點播大大增加了用戶使用的方便程度，使用戶需要更多的頻道。

• 當今，大尺寸屏幕電視由普通電視向高清晰電視發(fā)展，導致我們需要安裝更多的廣播設備。

• 視頻所包含內(nèi)容快速增加。附加的特技效果、多視窗、字幕疊加、重播等功能需要更高性能的廣播設備。

• 視頻資源的豐富。與以前只有在特別的演播室制作和重大事件的報道相比，現(xiàn)在可在每個社區(qū)和商家制作。視頻資源的數(shù)量飛快增長，出現(xiàn)了一個全新的低端廣播設備市場。

• 快速地向數(shù)字電視轉(zhuǎn)換，導致更換老舊的模擬信號系統(tǒng) 。

• 由于數(shù)字電視革命的發(fā)生，在各種數(shù)字信號規(guī)格之間進行視頻編碼轉(zhuǎn)換的需求很強，這導致了需要添加廣播設備，包括：

• 基本規(guī)格：非壓縮、時間壓縮、MPEG2、MPEG4、H.264壓縮、Windows Media9、Real Networks等；

• 圖像尺寸：標準畫質(zhì)（SD）、高畫質(zhì)720P、高畫質(zhì)1080P；

• 傳輸/封裝規(guī)格：ATSC/DVB、SDI、IP等；

• 音頻規(guī)格：AES3等；

• 國際規(guī)格：NTSC、PAL；

• 設備接口：1394火線接口、DVI接口、GigE Ethernet接口；

上面所發(fā)生的這些最新的變化使功能強大的廣播視頻設備成為必需。廣播設備需要更強的處理功能、更多的輸出頻道、更多的輸出規(guī)格等更廣的應用范圍。

本論文論述了一個將滿足未來需要的全新的產(chǎn)品平臺。這一平臺的產(chǎn)品成本和開發(fā)成本將比現(xiàn)有的系統(tǒng)低。
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2.視頻系統(tǒng)平臺

首先，讓我們調(diào)查一些現(xiàn)今使用的視頻廣播系統(tǒng)和視頻平臺。一般來講，用于視頻制作和發(fā)行的基本處理有以下一些方面：

內(nèi)容制作：攝像機制作和電腦制作；編輯/圖像疊加/圖像混合；特技效果；視頻畫質(zhì)增強；視頻信號格式轉(zhuǎn)換；視頻存儲。

視頻的提取和發(fā)布：視頻提取規(guī)格轉(zhuǎn)換；插入節(jié)目信息和廣告；廣播視頻規(guī)格轉(zhuǎn)換；發(fā)行：普通、延時播放、視頻點播。

今天，用于完成以上視頻功能的平臺可大致分為以下幾種類型：

2.1 內(nèi)容制作平臺

因為內(nèi)容制作平臺是非實時系統(tǒng)，所以并無很高的性能要求，即使處理時間大于實際時間也沒問題。因此，一般的電腦和工作站就可勝任。通常，這些平臺會和視頻加速板一起使用，但這個加速板只是為了提高視頻制作人員的工作效率，而不是為了實時處理的需求。

2.2 視頻提取和發(fā)布平臺

視頻提取和發(fā)布平臺必須和視頻廣播同步，所有的處理必須在視頻廣播的線頻和幀頻內(nèi)完成，所以有絕對的高性能要求。可靠性也是這些處理的必然要求。

為了達到這些要求，大多數(shù)現(xiàn)今使用的視頻提取和發(fā)布平臺是建立在廠家的專業(yè)廣播平臺之上的。這一平臺由建立于專業(yè)設備中的若干特殊功能的模塊組成。

一些廠家已經(jīng)開始使用低成本的個人電腦進行實時視頻處理，但這只是局限于處理一些有限的外圍功能，而且沒有成為視頻提取和發(fā)布系統(tǒng)的主流。

事實已經(jīng)非常清楚，基于個人電腦的平臺將在視頻提取和發(fā)布系統(tǒng)中逐步發(fā)揮越來越大的作用。由于以下原因，這些平臺將有廣闊的應用前景：

• 大容量處理帶來的突出的性能價格比；

• 可用于不同應用軟件廠家的標準平臺，更好的功能，更低的成本；

• 更高的性能價格比和更多的功能；

3.個人電腦的長處和局限

個人電腦的能力不斷得到提高，現(xiàn)已達到可實時處理單視頻流、壓縮單視頻流，并將其存儲在硬盤上，進行解壓并播放標準畫質(zhì)流。盡管如此，個人電腦的帶寬遠遠不能夠處理許多非壓縮視頻流的視頻處理、末端視頻發(fā)布的處理、實況轉(zhuǎn)播處理和其他高畫質(zhì)的視頻處理。

目前，進行非壓縮視頻處理的難點在于解決來自各廠家的無數(shù)的專業(yè)處理板的矛盾。這些專業(yè)處理板能夠完成它們某種特定的功能，但不能靈活地增加新功能，而當你需要多個功能時，你需要對不同廠家完全不同的處理板進行協(xié)調(diào)。

市場需要的是一種具有靈活性的，在一臺個人電腦上可處理非壓縮視頻的平臺。它能夠提供像高端系統(tǒng)的專業(yè)設備所具有的處理威力和低端個人電腦系統(tǒng)具有的低價格。

4.視頻處理中的FPGA

由Altera或其他公司生產(chǎn)的FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）是一種成長非?？斓?a target="_blank">半導體芯片。在過去10年里，這些芯片被廣泛使用并不斷提高自身的性能，現(xiàn)在擁有20億美元的市場并廣泛應用于通信、軍事和廣播器材等領域。??

FPGA芯片具有提供可編程軟件的能力和專業(yè)硬件的處理性能。在視頻應用中，F(xiàn)PGA芯片可以在個人電腦平臺上提供高達10～100倍的處理能力，而且當用戶需要更改系統(tǒng)的功能時，只需重新下載一個文件以修改用戶的硬件配置，1秒鐘就可完成用戶的硬件升級。歡迎轉(zhuǎn)載，本文來自電子發(fā)燒友網(wǎng)(http://www.ttokpm.com/)


雖然FPGA技術早已被應用于廣播視頻業(yè)界，但到目前為止，這類應用大多局限于專業(yè)平臺上的特定功能，只有很少的應用于個人電腦PCI板上的特定功能。

盡管如此，近年來FPGA的處理能力還是得到了迅猛地發(fā)展。現(xiàn)在已經(jīng)進化到了一個芯片可執(zhí)行一個板的功能，或者說一個芯片可執(zhí)行一個系統(tǒng)的功能（SoC）的地步。因為在一塊PCI板上可安裝多個FPGA芯片，這就使在一塊板上開發(fā)一個等同于一臺專業(yè)設備的完整系統(tǒng)成為可能。

另外，在現(xiàn)有的技術下，標準的視頻處理功能模塊可以被下載到一個新型的高處理能力的FPGA芯片中。這些模塊就如同組成一個專業(yè)設備中的多個功能模塊。也就是說，現(xiàn)在的一個芯片就可以包含整個系統(tǒng)，而不需要像以前一樣由一臺專業(yè)設備來實現(xiàn)。

這一開發(fā)方式較之開發(fā)專業(yè)設備系統(tǒng)有如下優(yōu)越性：低得多的開發(fā)成本；低得多的系統(tǒng)成本；用戶設計和升級極其方便；可直接使用個人電腦平臺的應用軟件。

5.開發(fā)“個人電腦+FPGA”平臺

當使用“個人電腦+FPGA”算法設計視頻系統(tǒng)時，最重要的是決定哪些處理在FPGA中運行，哪些處理在個人電腦上運行。一般來講，最佳的系統(tǒng)設計是所有的高速數(shù)據(jù)流通過FPGA，而不通過個人電腦。個人電腦可用于數(shù)據(jù)流管理和一些比較低的數(shù)據(jù)輸出功能，例如插入疊加數(shù)據(jù)。

以下類型的處理適于通過FPGA得到最佳性能：視頻混合/疊加；同步壓縮/解壓；數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換/轉(zhuǎn)碼；多頻道同時輸出系統(tǒng)的IP、DVB/ATSC規(guī)格封包/流處理；視頻提取、解壓、多頻道廣播；視頻增強：減噪、色像穩(wěn)定、分辨率增強等；視頻、音頻和其他數(shù)據(jù)流處理。

基于一個FPGA芯片的板可處理合計高達500MB的帶寬（相當于一個高畫質(zhì)非壓縮數(shù)據(jù)流或4個標準畫質(zhì)非壓縮數(shù)據(jù)流）。

如果用戶需要，一臺個人電腦可攜帶多塊處理板，一臺塔式rack-mount服務器可包含多臺個人電腦。

這一設計方法應用十分廣泛，從可處理幾個SDI數(shù)據(jù)流的小型個人電腦直到處理上百個數(shù)據(jù)流的塔式服務器都可勝任。

6.“個人電腦+FPGA”平臺的應用

使用以上“個人電腦+FPGA”平臺的算法，對于以下類型的應用可提供低成本、高效率的解決方案：局部網(wǎng)、娛樂、萬維網(wǎng)、有線電視的視頻點播服務器；定時重播服務器；延時；體育節(jié)目和其他節(jié)目的視頻實況制作；ATSC/DVB 數(shù)據(jù)廣播；社區(qū)服務系統(tǒng)、當?shù)匦侣?天氣預報、有線網(wǎng)上購物；互聯(lián)網(wǎng)的合作交流頻道；多頻道衛(wèi)星接受設備；節(jié)目制作和插入廣告設備；區(qū)域性視頻發(fā)布系統(tǒng)。

7.介紹： Tsunami板上視頻平臺

Avvida 公司的Tsunami PCI板和Wave開發(fā)工具包可使用戶快速開發(fā)并量產(chǎn)他們的產(chǎn)品。

Tsunami廣播處理板包括：最多達6個SDI接口；最多達5個FPGA芯片，每個芯片擁有4個高速內(nèi)存，能夠?qū)崿F(xiàn)多種視頻處理功能；通過PCI總線與個人電腦的高帶寬內(nèi)存存?。灰粋€數(shù)字視頻輸入接口，從個人電腦到Tsunami廣播板的傳送速率可達300Mbps。歡迎轉(zhuǎn)載，本文來自電子發(fā)燒友網(wǎng)(http://www.ttokpm.com/)

Avvida 公司可提供如下的視頻處理功能模塊：SDI RAW視頻格式和4∶4∶2、YUV、YcrCb、其他同步壓縮格式之間的格式轉(zhuǎn)換；4∶4∶4到4∶4∶2格式的抽樣；色彩空間轉(zhuǎn)換：RGB格式到YUV格式；視頻和音頻的疊加和混合；SDI輸入/輸出處理和誤碼檢測（EDH）的插入和提??；同步鎖相；MPEG2、MPEG4和其他的壓縮/解壓規(guī)格；SDI輸入信號存盤；存儲內(nèi)容重播；其他。

8.總結

對更強處理能力的數(shù)字視頻廣播系統(tǒng)的需求正在快速增長，這對一種應用前景廣闊的系統(tǒng)既是一種新的挑戰(zhàn)，也是一個新的機會。一臺裝配了Avvida 公司強大威力的Tsunami FPGA PCI處理板的標準個人電腦能夠有效地滿足市場的需求。處理板所附加的基于FPGA的視頻處理功能模塊可為用戶帶來更低開發(fā)成本和更短的投放市場時間。